KR20050031428A - 레이저 다이오드 모듈, 레이저 장치 및 레이저 가공장치 - Google Patents

Abstract

서브마운트 기판이 하드솔더를 매개로 레이저 다이오드의 양면에 접합된다. 하부 서브마운트 기판 및 히트싱크는 소프트솔더에 의해 접합된다. 히트싱크 및 프레서전극은 그들 사이의 소정의 간격으로 절연성스페이서를 매개로 고정된다. 코일전극은 프레서전극의 V 모양 홈에 맞춰진다. 코일전극이 탄성적으로 약간 변형됨에 따라, 코일전극은 상부 서브마운트 기판에 대해 가압된다.

Description

레이저 다이오드 모듈, 레이저 장치 및 레이저 가공장치{LASER DIODE MODULE, LASER APPARATUS AND LASER PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 레이저 다이오드를 내장한 모듈, 그 모듈을 설치한 레이저 장치, 및 레이저 가공장치에 관한 것이다.

고체상태의 레이저를 여기 (excitation) 시키는 광원 및 레이저 빔을 가공하는 광원으로서, 고출력 레이저 다이오드가 사용된다. 레이저 다이오드를 자극하기 위한, 전기 에너지로부터 광 에너지로의 변환 효율은 높아야 50% 정도이다. 따라서, 레이저 빔이 레이저 다이오드으로부터 출력될 때, 레이저 다이오드에서 레이저 빔의 광 에너지 이상의 열이 발생한다. 예를 들면, 50 W 의 광을 발생하는 레이저 다이오드는 50 W 이상의 열을 발생한다. 레이저 다이오드의 온도가 상승하면, 전기로부터 광으로의 변환 효율은 떨어지고, 발광수명이 단축된다. 또한, 온도가 발진파장 (oscillation wavelenghth) 을 변화시키므로, 레이저 다이오드의 온도 상승이 광 여기를 일으키는데 지장을 준다. 이것 때문에, 레이저 다이오드에서 발생한 열에 기인한 온도 상승을 억제하는 수단이 필수적이다.

레이저 다이오드를 내장한 모듈은 주로 3가지 구성요소, 즉, 레이저 다이오드, 레이저 다이오드를 냉각하기 위한 히트싱크 (heat sink) 및 레이저 다이오드에 전압을 가하는 전극 (electrodes) 을 구비한다. 히트싱크는 종종 레이저 다이오드의 전극으로서 기능한다.

최근, 금속 등의 재료의 용접, 용단, 보링 (boring) 및 어닐링을 효율적으로 실시하기 위한 광원으로서, 고출력 레이저 빔을 발생할 수 있는 레이저 다이오드 모듈이 요구되고 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위하여, 고출력 레이저 다이오드가 연구되어 왔다. 레이저 빔을 발생하는 활성영역 (active region) 을 단일한 칩에 나란히 배치함으로써 형성되는 레이저 다이오드 바 (laser diode bar) 가 고출력화의 수단으로서 개발되어 왔다.

도 1은 레이저 다이오드 바 (101) 를 나타낸 사시도이다. 레이저 다이오드 바 (101) 의 크기는 일반적으로 {10 mm (폭) } ×{1.0 ∼ 1.5 mm (공동길이)} ×{100 ∼ 150 μm (두께)} 이다. 레이저 다이오드 바 (101) 의 상하면은 전극면 (104) 이고, 레이저 다이오드 바 (101) 의 일측면은 레이저 빔을 출력하는 발광면 (102) 이다. 발광면 (102) 위에, 발광영역 (103) 은 폭방향으로 일렬 배치되어 있고, 발광영역 (103) 의 개수 및 폭은 필요한 출력에 따라서 최적화되도록 설계된다. 상하 전극면 (104) 을 통하여 전류가 공급되어, 발광영역 (103) 을 발광시킨다. 10 W 내지 100 W 정도의 출력을 갖는 레이저 다이오드 바가 시판되고 있다. 레이저 다이오드 바를 형성하는 기판으로는 갈륨비소 (GaAs) 가 주로 사용되고 있다.

다음으로, 고출력광을 발생하는 레이저 다이오드가 설치된 종래의 레이저 다이오드를 설명한다. 도 2는 일본특허공개공보 평10-209531호에 개시된 레이저 다이오드 바가 설치된 모듈을 나타낸다. 이 모듈은 히트싱크상에 각각 설치된 레이저 다이오드들이 세로축으로 적층되어 있는 적층체 (201) 이다. 이 모듈은 레이저 다이오드 바 (203) 가 하부전극으로 기능하는 수냉 (water-cooled) 히트싱크 (202) 에 솔더 (solder) 층을 매개로 설치되는 기본 구조를 갖고 있다. 레이저 다이오드 (203) 의 상부전극, 및 히트싱크 (202) 와의 절연을 위하여 제공된 고무시트 (204) 상에 위치한 금속시트 (205) 는 본딩 와이어 (bonding wire) 에 의해 상호접속되어 있다. 각 층의 히트싱크 (202) 에는 냉각제 통로 (207) 를 통하여 냉각제가 공급된다. 본딩 와이어 대신에, 리본-본딩 (ribbon bonding), 금속판 또는 금속필름을 와이어로 사용할 수도 있다. 레이저 다이오드와 히트싱크 사이에, 레이저 다이오드와 같은 정도의 열팽창계수를 갖는 기판을 제공한 모듈이 제안되어 있다.

도 3은 일본특허공개공보 평9-129986호 개시된 레이저 다이오드 모듈을 나타낸다. 레이저 다이오드 (301) 와 같은 정도의 열팽창계수를 갖고 있는 단자판들 (302 및 304) 사이에 레이저 다이오드 (301) 가 샌드위치되어 있고, 레이저 다이오드 (301) 의 상하면이 하드솔더층들 (303 및 305) 에 의해 고정되어 있다. 하부 단자판 (302) 은 탄성접착제 또는 소프트솔더층 (306) 에 의해 히트싱크 (308) 에 고정되어 있다. 전기연결을 위해 상하의 단자판 (302 및 304) 에는 리드단자 (307) 가 연결되어 있다. 단자판 (302) 및 레이저 다이오드 (301) 가 대략적으로 같은 정도의 열팽창계수를 갖고 있으므로, 레이저 다이오드의 온도가 상하 변동하더라도 접합면이 열화되지 않는다. 이 일본특허공개공보 평9-129986호는 단자판 (302)의 하면과 히트싱크 (308) 사이의 열팽창계수의 차이가 탄성접착체 또는 소프트솔더층 (306) 에 의해 완화되기 때문에, 접합면에서의 냉각성능의 저하가 억제될 수 있다는 사실을 개시하고 있다. 레이저 다이오드 (301) 의 측면에 경면층 (310; 레이저 발광을 위한 반사층) 이 제공된다. 히트싱크 (308) 에 냉각부재 (311) 가 제공되어, 냉각제 (314) 가 냉각제안내부 (312) 로 안내되도록 한다. 냉각제 (314) 는 레이저 다이오드를 냉각시킨다.

도 4는 일본특허공개공보 평10-41580호에 개시된 레이저 다이오드 모듈 (401) 을 나타낸다. 제 1 솔더 (402) 에 의해 흡열체 (407; heat absorber) 의 내면 (403) 에 레이저 다이오드의 제 1 면 (415) 이 고정된다. 제 2 솔더 (404) 에 의해 뚜껑 (408) 의 내면 (405) 에 레이저 다이오드의 제 2 면 (416) 이 고정된다. 레이저 다이오드는 흡열체 (407) 와 뚜껑 (408) 사이에 샌드위치되어 있다. 흡열체 (407) 의 저면 (406) 은 축열체 (heat accumulator) 에 연결되어 있고, 축열체 (407) 의 열전도에 의해 레이저 다이오드가 냉각된다. 축열체 (407) 및 뚜껑 (408) 은 소성변형이 가능한 금속으로 이루어진다. 흡열체 (407) 의 외면 (409), 뚜껑 (408) 의 외면 (410) 및 뚜껑 (408) 의 저면 (417) 은 견고한 패키지체상에 설치되지 않는다. 열팽창에 의해 레이저 다이오드 모듈 (401) 이 휘어지더라도, 그에 따라서 흡열체 (407) 및 뚜껑 (408) 의 모양이 휘어지게 된다. 따라서, 공보에 개시된 바와 같이, 변형이 생기지 않고 접합면에서의 냉각 성능의 저하가 생기지 않는다. 레이저 다이오드의 방출면 (411) 은 흡열체 (407) 의 상면 (413) 및 뚜껑 (408) 의 상단 (414) 과 같은 면이다. 흡열체 (407) 의 상부 외면에, 나란히 배치된 수개의 모듈을 연결할 때에 솔더를 공급하기 위한 홈 (418) 이 형성된다.

도 5는 일본국내공개 평10-507318호 번역본에 개시된 레이저 다이오드 모듈의 구조를 나타낸다. 이 모듈에서, 상부전극으로 기능하는 고정부 (501) 와 히트싱크 및 하부전극으로 기능하는 베이스 (502) 사이에, 복수개의 레이저 다이오드 및 열소산 (heat canceling) 시트가 교대로 샌드위치된 레이저 다이오드 스택 (503) 이 설치된다. 레이저 다이오드 스택 (503) 과 고정부 (501) 사이에 스프링 (504) 이 개재된다. 고정부 (501) 와 베이스 (502) 사이에 레이저 다이오드 스택 (503) 이 스프링 (504) 을 매개로 샌드위치되어 있다. 또한, 일본공개 평10-507318호 번역본에 스프링 (405) 대신에 나사를 사용하는 것도 개시되어 있다. 상하전극 (고정부 (501) 및 베이스 (502)) 은 절연시트 (505) 로 절연되어 있다. 이 모듈의 특징은 레이저 다이오드와 열소산시트 사이, 및 레이저 다이오드 스택 (503) 과 상하전극 사이에, 레이저 다이오드 스택 (503) 과 베이스 (502) 또는 고정부 (501) 간의 전기 접촉을, 솔더를 사용하지 않고 상하방향으로 스프링 (504) 을 압박하여 형성한다는 점이다. 열소산 시트용으로 Si, SiC 또는 구리텅스텐이 사용되며, 이들 선택된 재료들은 레이저 다이오드를 구성하는 갈륨비소 기판보다 높은 열팽창계수를 갖고 있다. 종래기술 구조는 솔더를 사용하지 않기 때문에, 조립이 용이하다. 나타낸 예는 100 μs 의 펄스로 레이저 발진을 달성한다.

일본특허공개공보 평10-20953호, 평9-129986호, 평10-41580호 및 일본국내공개 번역본 평10-507318 에 개시된 종래기술은, 레이저 다이오드 모듈의 평균 출력이 10 W 미만이면 문제가 발생하지 않는다. 그러나, 평균출력이 20 W 이상인 고출력 다이오드 바의 경우에는, 출력이 점차적으로 줄어들고 전극이 결국 단선될 확률이 높다. 특히, 레이저 다이오드의 발진광의 온-오프 상태가 수초 간격 정도로 반복되면, 출력감소, 단선 및 발진파장의 시프트를 일으킬 확률이 증가되어 서비스 수명이 단축된다. 이 문제를 해결하기 위해서, 모듈의 레이저 다이오드를 장기간에 걸쳐 안정적으로 냉각시켜야 한다. 이는, 레이저 다이오드의 냉각에 관한 다음 3가지 문제점의 개선을 요한다.

(1) 히트싱크와 레이저 다이오드를 접합하는 솔더층의 변질

(2) 레이저 다이오드와 상부전극 사이의 접촉점의 변질

(3) 레이저 다이오드의 휘어짐 및 변형

다음으로 문제 1 을 상세히 설명한다.

종래에는, 히트싱크상에, 레이저 다이오드 또는 레이저 다이오드가 설치되고 레이저 다이오드와 동등한 정도의 팽창계수를 갖고 있는 서브마운트 (submount) 기판이 소프트 솔더를 사용하여 설치된다. 소프트솔더는, 예컨대 금과 같은 설치접촉면의 금속과 합금되면서, 히트싱크 및 레이저 다이오드 또는 서브마운트 기판에 접합된다. 합금상은 합금화되지 않은 소프트솔더층에서 그레인 (grain) 화 되거나 점재된다. 합금상은 합금화되지 않은 소프트솔더층과 열팽창계수가 다르다. 레이저 다이오드가 소정의 출력으로 온 (on) 될 때의 레이저 다이오드의 온도가 T1 이고, 레이저 다이오드가 오프 (off) 될 때의 레이저 다이오드의 온도가 T2 이라 하면, 레이저 다이오드의 온도가 최대 T1 에서 T2 사이에서 변동된다. 온도 상승과 하강이 반복되면, 합금상과 소프트솔더상 사이의 접촉면의 변형이 커져, 접촉면에서 미세한 크랙 (crack) 이 생성된다. 이 크랙이 생기는 부분의 열저항이 높아짐에 따라, 온도가 국부적으로 상승한다. 온도가 상승함에 따라, 소프트솔더에서의 설치 접촉면의 금속원자의 확산이 가속화되고, 합금 그레인 또는 금속 확산의 성장에 의해 생기는 Kirkendall 효과로 인해 보이드 (void) 를 발생할 확률이 증가된다. 이들 크랙 또는 보이드의 성장은 전체 솔더층의 열저항을 크게 증가시킴으로써, 레이저 다이오드의 온도를 증가시켜 출력을 저하시키고 발진파장을 시프트시킨다. 결국, 접합부에 큰 크랙이 생성된다. 크랙과 보이드가 증대함에 따라, 레이저 다이오드 또는 레이저 다이오드가 설치된 서브마운트 기판은 소프트솔더에 의해 히트싱크에 연속되지 않아 부분적으로 박리된다. 부분적인 박리는 박리된 부분의 온도를 증가시켜 인접부분의 합금화와 금속확산을 더욱 가속화시킨다. 이에 의해, 박리된 부분이 더 커져 칩의 온도를 상승시킴으로써, 소프트솔더가 융해되어 흘러내리거나 또는 산화되어 히트싱크로부터 절연된다. 도 3에 나타낸 종래의 모듈은 소프트솔더의 변질을 억제하는 수단이 없다. 도 5의 종래기술에 나타낸 바와 같이 솔더를 사용하지 않는 모듈의 경우에는, 솔더부분의 열화가 없어 문제 1 이 발생하지 않으나, 솔더링 없는 단순한 가압만으로는, 10 W 이상의 평균 출력으로 연속으로 광을 출력하는데 필요한, 히트싱크와 레이저 다이오드 사이의 저열저항을 얻는 것이 매우 어렵다.

다음으로 문제 2 를 상세하게 설명한다. 레이저 다이오드의 온-오프 상태가 빈번하게 반복되면, 레이저 다이오드의 상부전극과의 접합부분의 온도가 문제 1 의 설명과 동일한 이유로 상하로 변동된다. 종래에는 레이저 다이오드의 상부전극의 배선이 주로 도 2에 나타낸 바와 같이 본딩 와이어 또는 본딩 리본을 사용하거나, 솔더로 융착되거나 열가압된 판전극에 의해 달성된다. 동일한 재료의 본딩 와이어 또는 본딩 리본은 레이저 다이오드의 상부전극으로 사용할 경우 합금이 존재하지 않지만, 서로 다른 결정 성향을 갖는 그레인 매트릭스가 순간적인 융해 고체화의 영향으로 인하여 접합시에 고체화된 부분에 존재한다. 솔더가 사용될 경우, 표면 금속과의 합금화에 의해 합금 그레인이 생성된다. 접합부분이 큰 변질을 겪고 그 온도가 상하로 변동함에 따라, 열팽창의 비등방성 또는 열팽창의 차이로 인하여 그레인 접촉면에 크랙이 발생하고, 결국 단선을 야기한다. 접합부분의 변형에 기인한 전기 저항의 증가 또는 크랙의 증가는 연결된 부분에서 열을 발생시킬 수도 있다. 전극이 부분적으로 박리되면, 남아있는 접합부분에 전류가 집중된다. 이에 의해, 접합부분의 부하가 더욱 증가되며, 열이 발생되어 , 전극의 접합부분의 전체 대부분이 결국 박리될 수도 있다.

다음으로 문제 3 을 상세히 설명한다. 레이저 다이오드는 GaAs 기판상에 필름증착 (film deposition) 에 의해 형성된다. 필름증착이 기판의 단지 일면에서 수행되므로, 레이저 다이오는 두께방향으로 구조의 대칭성을 갖지 않는다. 이에 의해, 두께방향으로 열팽창계수의 약간의 차이가 발생되어, 레이저 다이오드가 휠 수도 있다. 특히, 도 1 에 나타낸 레이저 다이오드 바의 경우에, 공동길이와 폭과의 비율이 커지면, 그 길이가 길어지는 것을 따라서 레이저 다이오드는 폭방향으로 휘어질 수 있다. 설치시에 레이저 다이오드가 휘지 않음에도 불구하고, 레이저 출력 동안에 온도가 상승하고 심하게 휘게된다. 그 결과, 레이저 다이오드와 히트싱크 또는 서브마운트 기판 사이의 접합 접촉면에서 크랙이 발생하고, 레이저 다이오드를 가열하는, 열적으로 단절된 부분이 발생한다. 이것은 문제 1 및 문제 2 를 발생시킬 수 있다. 도 4 의 종래기술과 같이, 고출력 다이오드를 소성변형이 가능한 흡열체와 뚜껑 사이에 샌드위치시키고 흡열체의 저면으로부터 냉각시키는 경우에는, 흡열체에 의한 열전도 시스템의 냉각으로는 레이저 다이오드의 휘어짐을 허용하면서 20 W 이상의 열을 냉각하는 것이 극히 어렵다. 레이저 다이오드가 휘면, 출력되는 광의 방향이 변하므로 응용상의 문제를 일으킨다.

즉, 레이저 다이오드 모듈의 평균출력이 높아지면, 종래 다이오드 모듈의 구조 및 모드는 장기적으로 안정된 출력을 얻기 어렵다.

따라서, 본 발명의 목적은 장기간에 걸쳐 안정적으로 레이저 빔을 출력할 수 있는 레이저 다이오드, 및 이 레이저 다이오드를 이용하는 레이저 장치 및 레이저 가공장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따른 레이저 다이오드 모듈은, 레이저 다이오드; 각각의 제 1 솔더층들을 매개로 레이저 다이오드의 양 전극면에 접합되는 제 1 기판 및 제 2 기판; 제 2 솔더층을 매개로 제 1 기판에 접합되는 히트싱크; 히트싱크에 대하여 소정의 간격으로 배치되는 프레서전극; 및 제 2 기판과 프레서전극 사이에 제 1 기판에 평행하게 축방향을 갖도록 제공되는 코일전극을 구비함으로써, 프레서전극이 상기 코일전극을 제 2 기판에 대하여 가압한다.

예를 들면, 레이저 다이오드 모듈에서, 프레서전극은 절연성스패이서를 매개로 히트싱크에 소정의 간격으로 고정될 수 있고, 코일전극이 탄성적으로 변형됨에 따라, 코일 전극은 제 2 기판에 가압될 수 있다.

코일전극은 코일와이어의 외면에 금막이 피복된 것이 바람직하다. 또한, 제 1 기판 및 제 2 기판은 레이저 다이오드의 전체 전극면에 접합되는 것이 바람직하다.

제 1 솔더층용으로는 Au, Ag, Al, Si 및 Ge 로 이루어진 그룹중에서 선택된 원소를 주성분으로 하는 하드솔더가 사용되고, 제 2 솔더층용으로는 Pb, Sn, In, Sb 및 Bi 으로 이루어진 그룹에서 선택된 원소를 주성분으로 하는 소프트솔더가 사용되고, 하드솔더는 소프트솔더보다 높은 융점을 가진다.

제 1 기판 및 제 2 기판에 대한 레이저 다이오드의 접합면상에 금막이 피복되고, 레이저 다이오드에 대한 제 1 기판 및 제 2 기판의 접합면상에 금막이 피복되고, AuSn 합금으로 이루어지는 하드솔더는 제 1 솔더층으로 사용되는 것이 바람직하다.

예를 들면, 히트싱크와 제 1 기판의 대향면에 제 1 금속막이 각각 형성되며, 제 1 금속면과 제 2 솔더층 사이의 접촉면에 합금상이 형성된다.

제 1 기판과 히트싱크 사이의 열팽창계수 차이에 의해 생기는 변형을 완화하기 위해, 제 2 솔더층의 최상면에의 합금상이 형성 후 제 2 솔더층이 충분한 두께를 갖도록, 합금상과 합금화되지 않고 잔존하는 제 2 솔더층과의 비율이 제어되는 것이 바람직하다.

예를 들면, 히트싱크와 제 1 기판의 대향면에 금막이 각각 형성되고, 제 2 솔더층용으로서 인듐 (In) 으로 이루어진 소프트솔더가 사용된다. 이 경우에, 예를 들면, 히트싱크와 제 1 기판의 대향면에 각각 형성되는 금막과 제 2 솔더층의 인듐층 사이에서 금이 인듐층으로 확산됨에 따라 합금상이 형성된다. 제 1 기판과 히트싱크의 열팽창계수의 차이에 의해 생기는 변형을 완화하기 위해, 인듐층의 최상면에의 합금상의 형성 후 상기 인듐층이 충분한 두께를 갖도록, 합금상과 합금화되지 않고 잔존하는 인듐층과의 비율이 제어되는 것이 바람직하다. 또한, 예를 들면, 레이저 다이오드는 GaAs 기판상에 형성되고, 제 1 및 제 2 기판은 구리텅스텐 합금으로 형성된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술되었던 레이저 다이오드 모듈이 적어도 2개가 나란히 배치되고, 코일전극 위에 놓이지 않는 프레서전극의 부분이 인접하는 상기 레이저 다이오드의 히트싱크에 접합된다.

본 발명에 따른 레이저 장치는 레이저 다이오드 모듈을 고체상태 레이저 결정용 여기원 (pumping source) 으로서 사용한다.

본 발명에 따른 레이저 가공장치는 전술된 레이저 다이오드 모듈을 내장한 레이저 장치; 상기 레이저 장치로부터 생성된 광을 유도하는 광화이버; 상기 광화이버로부터의 출력된 광을 집광하는 렌즈; 및 소정의 위치에 집광된 레이저 빔을 조사하는 조사 (irradiation) 시스템을 구비한다.

본 발명은 종래 기술의 문제 1 내지 문제 3 을 다음과 같이 극복한다.

(1) 히트싱크와 레이저 다이오드를 접합하는 솔더층의 변질

접합시에 접촉면의 금속과 소프트솔더와의 합금화로 형성되는 그레인으로 인해, 이후에 레이저 다이오드가 발광하는 동안에 크랙 및 보이드가 발생한다. 그러나, 소프트솔더의 역할에 의해 크랙 및 보이드의 발생을 히트싱크와 레이저 다이오드 간의 열팽창의 차이를 완화시키기 위한 가소성을 유지하도록 억제함으로써, 소프트솔더층의 열저항이 높아지는 것을 억제한다.

(2) 레이저 다이오드와 상부전극 사이의 접촉점의 변질

레이저 다이오드와 전극 접촉면과의 샌드위치된 어셈블리 변형을, 접촉형 코일전극을 상부전극으로 사용하여 완화한다.

(3) 레이저 다이오드의 휘어짐 및 변형

레이저 다이오드의 휘어짐 및 변형을, 레이저 다이오드의 상하면을 레이저 다이오드와 같은 거의 동일한 열팽창계수를 갖는 2개의 기판 사이에 샌드위치시킴으로써, 억제한다.

다음으로, 문제 1 내지 문제 3을 해결함으로써 유발되는 효과는 상호관련성을 가지므로, 그러한 효과들은 서로 연관지어 설명한다.

문제 1 에 기재된, 히트싱크 및 레이저 다이오드를 접합하는 소프트솔더의 변질을 억제하고, 열팽창의 차이를 완화하는 층의 기능을 유지하기 위하여, 첫번째 방법은 설치시에 접합면에서의 금속과 소프트솔더의 합금화 비율을 억제하는 것이다. 변형력 완화층의 기능은 설치후에 합금화되지 않은 소프트솔더 부분을 장기적으로 잔존시킴으로써 유지될 수 있다. 합금화비율은 레이저 다이오드가 설치전 히트싱크상의 소프트솔더의 두께에 의해 제어가 가능하다.

상면에 접촉되는 금속 종류, 설치 온도 및 용해 시간의 설치 조건을 고정하고, 파라미터로서, 설치전 소프트솔더층의 두께를 고려하여 소프트솔더의 필요한 두께는 도 6에 나타낸 바와 같이 소프트솔더층의 두께 및 모듈의 고장확률을 체크함으로써 정할 수 있다.

두번째 방법은 소프트솔더층에서 생성된 합금화된 그레인의 성장 및 그레인의 새로운 생성을 억제하는 것과 레이저 다이오드의 출력중에 크랙 및 보이드의 발생을 억제하는 것이다. 이 방법을 달성하기 위해서는, 소프트솔더층에서 미세한 크랙 및 보이드가 발생하는 것을 억제하거나, 미세한 크랙 및 보이드가 발생하더라도 그 성장을 억제하는 것이 필요하다. 솔더층의 열저항은 레이저 다이오드의 설치면을 히트싱크에 압박함으로써 유지할 수 있다. 만약 미세한 크랙 및 보이드가 발생하면, 소프트솔더가 공간으로 들어가서 열저항의 상승을 억제하므로 그레인, 크랙 및 보이드의 성장이 억제되며, 그 결과 안정된 접합 접촉면이 유지된다. 압박력이 전체 설치면에 균일하게 가해지므로, 표면에 걸친 열화의 억제가 균일하게 이루어진다.

전술한 바와 같이, 문제 1을 해결하기 위해서는, 레이저 다이오드를 히트싱크에 균일한 힘으로 가압함으로써 소프트솔더층의 열화를 억제하는 것이 중요하다. 그러나, 만약 레이저 다이오드가 소프트솔더를 매개로 히트싱크에 직접 가압되면, 레이저 다이오드는 깨질 것이다. 또한, 레이저 다이오드의 전표면을 균일하게 가압하는 것이 곤란하다. 그러나, 만약 레이저 다이오드보다 가압력을 잘 견딜 수 있는 서브마운트 기판이 레이저 다이오드의 상하면에 제공되면 레이저 다이오드는 보호될 수 있다. 선택된 서브마운트 기판은 레이저 다이오드와 거의 동일한 열팽창계수를 가져야 한다.

사용중인 서브마운트 기판의 크기는 레이저 다이오드와 같거나 커야 하고, 레이저 다이오드의 상하전극의 전표면은 하드솔더를 이용하여 서브마운트 기판에 접합되어 샌드위치된 구조로 설치된다. 이 샌드위칭은 레이저 다이오드로부터 발생한 광이 서브마운트 기판에 충돌하지 않도록 이루어져야 한다. 열팽창시에 우수한 대칭성을 제공하는 측면에서, 상하 서브마운트 기판들이 동일한 크기를 갖는 것이 바람직하다. 서브마운트 기판들은 온도변화가 레이저 다이오드를 휘게하는 힘에 대해 변형되지 않을 정도로 충분한 두께를 가져야 한다. 이러한 구조에 의해, 레이저 다이오드가 발광하고 열팽창되더라도, 서브마운트 기판들이 마찬가지로 열팽창되어, 접합면에서 변형의 발생을 어렵게 함으로써, 레이저 다이오드가 휘는 것이 억제된다. 이것은 문제 3을 해결한다. 레이저 다이오드에 의해 발생된 열이 상하 서브마운트 기판으로 확산됨에 따라, 온도 균일성은 더 나아지고 발진파장은 좋은 안정성을 갖는다. 샌드위치어셈블리는 외부에서 힘이 가해져도 변형되지 않는 구조를 갖고 있다.

샌드위치어셈블리는 소프트솔더를 매개로 히트싱크에 설치된다. 그후, 금속 와이어를 나선형으로 감아 얻어지는 코일이 샌드위치어셈블리의 히트싱크측 전표면을 히트싱크의 표면에 대해 균일한 힘으로 수직으로 균일하게 가압하기 위해 사용된다. 코일전극의 길이가 길이방향에서 샌드위치어셈블리의 길이와 대략적으로 동일하게 설정되고 샌드위치어셈블리가 히트싱크에 대해 샌드위치어셈블리의 길이방향의 중앙선을 따라 수직으로 가압됨에 따라, 설치면에 대한 샌드위치어셈블리의 균일한 가압이 가능하게 된다.

다음 이유로 코일을 상부전극으로 사용하는 것이 문제 2 를 해결할 수 있거나 레이저 다이오드와 상부전극 사이의 접촉점의 변질을 해결할 수 있다. 코일전극은 방사방향으로 적당한 탄력성을 갖는다. 소프트솔더층에서 합금화가 진행됨에 따라, 소프트솔더 부분의 평균밀도가 변화되고 소프트솔더층이 약간 얇게 되어, 만약 가능한 두께 변화를 위해 충분한 탄력성을 갖는다면, 코일전극이 히트싱크에 대해 샌드위치어셈블리를 가압하는 것을 유지할 수 있다. 샌드위치어셈블리 또는 소프트솔더 부분이 열팽창 등으로 두꺼워질 때에도, 코일의 와인딩 직경이 필요한 것 보다 큰 가압력이 가해지지 않도록 변화한다. 가압력의 한계는 코일전극의 가소성 한계에 놓여있다 (변형된 모양을 복구하지 않는 힘). 코일의 소성한계를 견딜 수 있는 서브마운트 기판의 사용으로, 샌드위치어셈블리가 코일의 가압력으로 변형되지 않는다.

코일의 탄력성은 재료, 와이어의 직경, 및 와인딩 직경 등을 변경함으로써 조절될 수 있다. 레이저 다이오드의 발광을 위해 필요한 전류가 흐르도록 하는데 필요한 코일의 접촉면적을 유지하기 위해, 코일용으로 사용되는 금속 와이어의 굵기를 제어하여 샌드위치어셈블리와 프레서전극 사이의 접촉면적을 확보한다. 코일, 코일이 접촉하는 서브마운트 기판들, 및 코일 프레서전극들은 단지 서로 접촉할 뿐, 융착되지는 않는다. 레이저 다이오드가 온-오프될 때에도, 온도를 상승시키거나 하강시키며, 변형력의 축적에서 기인하는 접합부분은 열화되거나 단선되지 않는다. 코일 프레서전극은 구리와 같은 금속으로 준비되고 강성있는 구조로 설치된다.

코일전극을 사용하는 레이저 다이오드 모듈의 경우에는, 레이저 다이오드가 레이저 다이오드상의 문제 또는 솔더층의 문제 때문에 비정상적으로 열을 발생시켜서, 결과적으로 레이저 다이오드가 고장나고 소프트솔더가 융해되더라도, 전류가 흐르지 않을 가능성은 없다. 이러한 현상에 대한 이유는 나란히 배치되는 레이저 다이오드 모듈을 갖고 있는 어레이 모듈에 본 발명이 적응될 때 매우 효과적이라는 것이 아래에 주어진다. 일반적으로, 어레이 모듈에서 하나의 레이저 다이오드 모듈에 문제가 생겨 전기회로의 일부가 개방될 때, 어레이 모듈의 모든 레이저 다이오드의 발진이 정지된다. 그러나, 코일전극이 사용될 때, 레이저 다이오드는 관련된 서브마운트 기판을 매개로 히트싱크 또는 하부전극에 대해 항상 가압되며, 전기회로는 개방되지 않는다. 그 결과, 하나의 모듈에 문제가 있더라도, 다른 모듈들이 발광을 유지한다. 그러므로, 본 발명의 어레이 다이오드 모듈을 사용하는 레이저 장치 및 레이저 가공장치의 동작은 모듈 전극들의 단선으로 인하여 돌연히 정지하지 않으며 이러한 장치들은 높은 신뢰성을 달성한다. 코일전극이 샌드위치어셈블리 또는 프레서전극에 융착되지 않음에 따라, 고장난 하나의 모듈을 교환하는 것이 용이하게 되어, 레이저 장치 및 레이저 가공장치는 높은 유지보수성을 갖는다. 코일의 프레서전극이 인접하는 모듈에 전기적으로 접속됨에 따라, 전극간의 절연을 위한 스페이서는 불필요하게 된다. 이에 의해 부품 및 조립 비용이 절감된다.

본 발명의 "하드솔더"는 Au, Ag, Al, Si 및 Ge 그룹에서 선택된 원소를 주성분으로 하는 솔더로 정의하고, "소프트솔더"는 Pb, Sn, In, Sb 및 Bi 에서 선택된 원소를 주성분으로 하는 솔더로 정의한다. 본 발명에서, 사용중인 하드솔더의 융점은 소프트솔더 보다 높아야 한다.

본 발명의 바람직한 실시형태를 첨부된 도면들을 참조하여 아래에 상세히 설명한다. 도 7은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 레이저 다이오드 모듈을 나타낸 예시도이다. 레이저 다이오드 (601) 의 상하전극은 하드솔더 (603) 로 서브마운트 기판 (602) 에 접합되어 있다. 이러한 샌드위치어셈블리 (604) 는 소프트솔더 (606) 로 히트싱크에 접합되어 있다. 접합면의 금속과 소프트솔더와의 합금상의 비율은 샌드위치어셈블리 (604) 와 히트싱크 (605) 간의 열팽창계수의 차이가 접합전 소프트솔더층의 두께를 제어함으로써 접합후 완화될 수 있도록 조절된다. 금속와이어를 밀착하여 감음으로써 형성되는 코일전극 (607) 은 상부전극용으로 사용된다. 코일의 위치는 프레서전극 (608) 의 V 모양 부분에 고정된다. 코일전극 (607) 및 샌드위치어셈블리 (604) 는 히트싱크 (605) 와 프레서전극 (608) 사이에 끼워져 있다. 히트싱크 (605) 와 프레서전극 (608) 사이의 절연은 절연성스페이서 (609) 에 의해 수행된다. 코일전극 (607) 위를 가압하는 프레서전극 (608) 의 힘은 코일전극 (607) 을 소성변형시키지 않는 범위에 놓여진 절연성스페이서 (609) 의 두께에 의해 조절된다. 히트싱크 (605) 및 프레서전극 (608) 은 절연된 멈춤나사 (610) 에 의해 보호된다. 전류용 단말 와이어 (611) 는 히트싱크 (605) 및 프레서전극 (608) 에 접합된다.

도 8은 코일전극 (607) 의 예로서 금속와이어가 원통형으로 감긴 것을 나타낸다. 코일와이어의 표면이 금막으로 피복되는 것이 바람직하다. 도 9에서 도시된 것과 같이, 코일전극 (607) 의 코일직경 (802) 과 코일전극 (607) 이 변형되고 소성변형을 시작하는 직경 (803) 사이의 변화범위 (804) 는 코일전극 (607) 이 소성변형할 수 있는 범위이다. 코일전극 (607) 이 코일의 방사형 방향으로 탄력성을 보이는 변화범위 (804) 내에서 코일전극 (607) 이 가압된 상태에서, 가압을 해제하는 것은 코일전극 (607) 이 원래의 직경 (802) 으로 복귀하도록 한다. 도 7의 모듈은 코일직경의 변화가 변화범위 (804) 내에 놓이도록 프레서전극 (608) 에 의해 위로부터 변형되도록 가압된다. 코일전극 (607) 은 레이저 다이오드의 길이방향 크기와 거의 동일한 길이를 가진다.

다음으로, 도 7에 나타낸 제 1 실시예에 의한 레이저 다이오드 모듈을 제작하는 방법을 설명한다. 첫째, 예를 들면, 금의 금속막이 레이저 다이오드의 상하전극상에 적층된다. 서브마운트 기판 (602) 은 GaAs 기판 (5.6~6.2 ppm/K) 을 사용하여 제작된 레이저 다이오드의 열팽창계수와 거의 동일한 열팽창계수를 갖는, 예를 들면 구리와 같은, 재료로 형성되며, 레이저 다이오드의 상하전극의 면적 이상의 면적에 대해 처리된다. 또한, 예를 들면, 금의 금속막은 서브마운트 기판 (602) 의 상면에 적층된다. 예컨대, 레이저 다이오드 설치용 금-주석으로 이루어진 하드솔더 (603) 는 서브마운트 기판 (602) 의 일면에 적층된다.

도 10에서 도시된 것과 같이, 레이저 다이오드 (601) 의 상하면은 하드솔더 (603) 가 적층되고 하드솔더 (603) 의 융점까지 가열되는 서브마운트 기판들 (602) 의 면들에 의해 샌드위치됨으로써, 서브마운트 기판 (602) 에 의해 샌드위치된 레이저 다이오드의 샌드위치어셈블리 (604) 를 가져온다.

다음으로, 도 11에 도시된 것과 같이 샌드위치어셈블리 (604) 는 히트싱크 (605) 에 접합된다. 예를들면, 구리를 주성분으로 하고 내부에 형성된 수로를 갖는 수냉식 타입은 히트싱크 (605) 로 이용될 수 있다. 예를 들면, 금막은 히트싱크 (605) 의 상면에 적층된다. 도 11에 도시된 것과 같이, 예를 들면 소프트솔더 (606) 로서 인듐 (In) 층이 샌드위치어셈블리 (604) 가 설치되는, 히트싱크 (605) 의 그 면에 적층되고, 샌드위치어셈블리 (604) 를 설치하는 것을 진행한다. 그후, 히트싱크 (605) 가 가열되어 인듐을 융해하여 샌드위치어셈블리 (604) 를 히트싱크 (605) 에 접합한다.

도 12는 접합 전후의 인듐 솔더층의 접촉면의 확대도이다. 그림 10 에 도시된 2 개의 서브마운트 기판 (602) 및 레이저 다이오드 바 (601) 로 구성된 샌드위치어셈블리 (604) 는 샌드위치어셈블리 (604) 의 하부 접합면에 제공된 서브마운트 기판상의 금속이 서브마운트 기판 (602) 과 소프트솔더 (606) 사이에 끼워지는 방법으로 히트싱크 (605) 의 상면에서 금속 (1402) 에 적층된 소프트솔더 (606) 에 설치된다. 소프트솔더 (606) 의 온도가 융점으로 상승하면, 먼저, 표면금속들 (1402 및 1405) 은 소프트솔더에서 확산되어 합금이 되고, 합금영역 (1406) 을 형성한다. 그후, 소프트솔더 (606) 는 융해되고 온도는 유지된다. 따라서, 합금 그레인은 전체 솔더층으로 분산되고 솔더층이 고체화된 후에, 합금 그레인이 분산된 영역 (1407) 은 전체 솔더층상에 형성된다.

다음으로, 도 7에 도시된 것과 같이, 코일전극 (607) 은 샌드위치어셈블리 (604) 의 상부에 놓여지고 절연성스페이서 (609) 는 히트싱크 (605) 상에 놓여진다. 코일전극 (607) 은, 예를 들면, 구리로 형성된 표면에 적층되는 금을 갖는 프레서전극 (608) 에 의해 가압되고, 프레서전극 (608) 은 절연 멈춤나사를 구비한 스페이서를 매개로 히트싱크에 고정됨으로써 본 실시형태의 모듈을 완성한다.

이하, 본 발명의 제 2 실시형태를 설명한다.

도 13은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른, 나란히 배열된 레이저 다이오드 모듈을 갖는 어레이 레이저 다이오드 모듈을 나타낸 사시도이다. 도 14는 도 13에서 추출된 형태의 브릿지 프레서전극 (901) 을 나타낸 사시도이다. 도 15는 도 13의 A-A'에 대한 어레이 레이저 다이어도를 나타낸 단면도이다. 상부 코일전극 (903) 이 고정된 상태로 서브마운트 기판들 (904) 사이에 끼워진 레이저 다이오드 (905) 의 샌드위치어셈블리 (906) 를 가압하는 브릿지 프레서전극 (901) 은 인접하는 모듈의 히트싱크 (902) 에만 접합되고, 멈춤나사 (907) 에 의해 고정된다. 도 13에서 가장 오른쪽의 브릿지 프레서전극 (901) 은 고정스탠드 (908) 에 고정되고 단말와이어 (909) 에 접속된다. 각각의 모듈은 상하전극 사이에 절연체를 필요로 하지 않는다. 브릿지 프레서전극 (901) 의 히트싱크 접촉부분의 높이 (1002) 를 조절함으로써, 코일전극을 가압하는 힘은 조절될 수 있다. 하나의 히트싱크를 접촉하는 또 다른 브릿지 프레서전극 (901) 은 코일전극 (903) 및 히트싱크 (902) 를 접촉하고 있으며 히트싱크 (902) 를 접촉하는 브릿지 프레서전극 (901) 은 멈춤나사 (907) 에 의해 히트싱크 (902) 에 고정된다. 히트싱크 (902) 로부터 공급되는 전류는 소프트솔더 (606) 을 매개로 샌드위치어셈블리 (905) 의 레이저 다이오드 (905) 로 흐른다 (도 12 참조). 브릿지 프레서전극 (901) 에 있어서 코일전극 (903) 의 상부는 인접하는 히트싱크 (902) 에 접속된다.

도 10 및 도 16에서 도시된 것과 같이, 도 13에 도시된 어레이 모듈은 레이저 다이오드의 샌드위치어셈블리가 준비된 후에 히트싱크상에 설치된다. 그후, 코일스프링이 샌드위치어셈블리에 위치된 후, 이 코일스프링은 멈춤나사 (907) 에 의해 교대로 고정된 강성있는 고정 브릿지 프레서전극 (901) 에 의해 가압됨으로써, 어레이 모듈을 제작한다. 브릿지 프레서전극 (901) 을 고정하는 멈춤나사 (907) 는 절연될 필요가 없으며 통상의 나사에 의해 히트싱크 (902) 에 고정될 수 있다.

서브마운트 기판은 구리텅스텐 이외의 소재로서, 예컨대 구리 몰리브덴, 몰리브덴 등과 같은 재료로 만들어질 수 있으며, 이들의 열팽창계수는 GaAs 기판의 열팽창계수 (5.6~6.2 ppm/K) 와 ±20% 내에서 일치하며 낮은 전기저항과 높은 열전도율을 갖는다.

금-주석 합금 이외에, Au, Ag, Al, Si 또는 Ge 을 주성분으로 하는 솔더가 하드솔더로 사용될 수 있다. 인듐 이외에, Pb, Sn, In, Sb 또는 Bi 를 주성분으로 하는 솔더가 소프트솔더로 사용될 수 있다. 하드솔더가 소프트솔더보다 높은 융점을 가져야 한다는 것이 필수적이다. 솔더층은 솔더로 접합되는 양 재료의 양 접촉면 사이의 영역을 나타내며, 솔더가 표면금속의 확산에 의해 생성된 합금면의 그레인과 섞여있는 영역을 포함한다. 샌드위치어셈블리가 솔더층으로 인듐을 사용하여 히트싱크상에 설치될 때, 솔더층은 다음과 같이 변한다. 첫째, 설치전에, 솔더층은 오직 인듐으로만 형성된 층이다. 설치의 초기 단계에, 표면금속에서의 금과 반응하지 않는 인듐의 상 (phase) 에서 인듐과 금과의 반응으로 인하여 생성된 합금 그레인 (결정 그레인) 이 점재되는 층이 접합 접촉면 부근에 형성됨으로써, 중앙부에 인듐만의 층으로 3층 구조를 형성한다. 소정의 시간이 경과한 후에, 솔더층은 전체 인듐상에서 합금 결정 그레인이 점재되는 층이 된다.

내부에 형성된 수로를 갖는 수냉식 타입 이외에도, 펠티어 (Peltier) 디바이스를 이용하는 히트싱크, 히트파이프 타입, 열전도 타입 등이 히트싱크로 이용될 수 있다.

구리를 주성분으로 하고 밀착하여 감겨진 엘리먼트는 코일전극의 엘리먼트용으로 적합하다. 이 엘리먼트는 방사형의 방향으로 탄력성을 가져야 하며, 그것은 소프트솔더층의 변질에서 기인하는 두께 변화량 및 샌드위치어셈블리의 열팽창 등에서 기인하는 두께의 변화를 합산한 최대치의 이상이다. 소정의 전류가 흐르도록 하는 접촉이 확보되면, 코일은 밀착하여 감길 필요가 없다. 코일와이어의 상면이 금막으로 피복되는 것이 바람직하지만, 금막은 공기에서 용이하게 부식되지 않는 금속막으로 대체될 수 있다.

프레서전극 (608) 은 코일전극 (607) 을 가압하는 부분으로서 V 모양의 홈을 갖는다. V 모양의 홈 이외에도, 가압되는 부분은, 반원 홈 또는 사다리꼴 홈 등의 여러 모양을 가질 수 있다. 앞의 설명에서 레이저 다이오드 바가 모듈의 주요 적용으로 설명되었으나, 발광 영역이 한 개인 레이저 다이오드에도 효과적이다.

내부식성의 금 이외에도, 니켈과 같은 내부식성 물질의 금속막이 서브마운트 기판, 히트싱크, 코일전극 및 프레서전극의 상면으로 사용될 수 있다. 만약 니켈이 사용되면, 솔더와의 합금을 형성하기 곤란하므로, 통상적으로 부착시에 문제를 발생시킨다. 그러나, 접합면이 코일전극에 의해 가압되면, 화학적 부착이 약하더라도 물리적인 부착은 유지될 수 있으며, 접합면에서의 열저항은 유지될 수 있다.

실시예 1

본 발명의 효과를 나타내기 위하여, 본 발명의 범위내에 놓이는 예들의 특징과 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예들의 특징을 설명한다. 폭 10 mm, 공동길이 1.2 mm 및 두께 100 μm 를 가지며 50 W 를 출력할 수 있는 레이저 다이오드 어레이 바 및 폭 10 mm, 길이 1.2 mm 및 두께 0.15 mm 를 가진 CuW 로 형성되는 서브마운트 기판이 준비되었다. 금막이 레이저 다이오드의 상하전극의 최고 표면상에 1 μm 두께로 형성되었다. 금이 2개의 서브마운트 기판의 최고 표면에서 1 μm 두께로 도금되었고, 금-주석 솔더는 2 μm 두께로 다른 면들위에 적층되었다. 레이저 다이오드 바의 발광면들이 서브마운트 기판들과 일치하는 방법으로 금-주석 소프트솔더면들이 레이저 다이오드 바의 상하면들을 바라보는 2장의 서브마운트 기판들에 의해 레이저 다이오드 바가 샌드위치된 후에, 온도가 금-주석 솔더의 융점까지 상승하여 레이저 다이오드를 서브마운트 기판에 접합하고 , 레이저 다이오드가 서브 마운트 기판들에 의해 샌드위치된 샌드위치어셈블리를 제작된다. 사용중인 히트싱크는 구리의 기본 재료를 갖고, 내부에 형성된 수로를 갖고, 세로방향 25 mm, 측면 12 mm 및 두께 2.0 mm 를 갖는 수냉식 타입이다. 금막은 히트싱크의 최고 표면상에 1 μm 두께로 형성되었다. 서브마운트 기판의 면적과 동일한 10 ×1.2 mm 의 영역에 소프트솔더로서 1 μm 간격으로 1 μm 에서 10 μm 까지 증착된 인듐층들이 준비되었다. 샌드위치어셈블리가 증착표면에 놓인 후에, 히트싱크의 온도는 인듐이 융해되는 온도까지 상승되고, 소정의 시간동안 그 온도가 유지되고, 그후 샌드위치어셈블리를 히트싱크에 접합하기 위해 냉각된다. 구리와이어를 외직경이 1.5 mm 이고 두께가 0.2 mm 로 밀착하여 감은, 길이 10 mm 의 코일의 표면을 금도금함으로써 제공되는 코일전극은 히트싱크상에 설치된 샌드위치어셈블리의 상부에 놓이고, 구리로 형성되고 금으로 도금된 표면을 갖는 프레스전극으로 위로부터 가압되고, 알루미늄질화물의 절연성스페이서를 매개로 세라믹 나사에 의해 히트싱크에 고정된다. 직경이 소성변형되지 않는, 코일전극의 가변 범위는 30 μm 이었고, 스페이서의 두께는 코일 직경을 약 20 μm 만큼 압박하는 방법으로 조절되었다. 이러한 방법으로 준비된 레이저 다이오드 모듈의 수명 테스트가 수행되었다. 인듐 솔더층의 두께 및 모듈의 고장확률은 모듈로부터의 연속되는 50 W 의 광을 0.5 초 간격으로 온-오프시키는 동안 모듈을 3000 시간 동작하는 테스트 조건하에 체크되었다.

테스트의 결과는 도 6에 도시된다. 도 6은 가로축의 인듐층 두께와 세로축의 고장확률 사이의 관계를 나타낸 그래프이다. "고장"이란 출력이 초기출력에 대해 20% 이하로 떨어지는 경우 또는 적어도 전극의 일부분이 단선되는 경우를 나타낸다. 금이 히트싱크 및 인듐을 접촉하는 서브마운트 기판의 상면에 1 μm 두께로 적층될 때, 고장확률은 0.1% 이하로 감소될 수 있으며, 인듐 솔더층이 5 μm 이상의 두께로 적층되는 샌드위치어셈블리를 형성함으로써, 상품화를 위한 목표가 될 수 있다. 결과는 전술한 모듈의 구조 및 설치 조건하에서, 구리텅스텐의 서브마운트 기판과 구리의 히트싱크 사이의 열팽창계수 차이에 의해 생기는 변질을 완화하는 인듐 솔더층을 위해 필요한 인듐 층의 두께는 5 μm 이상인 것을 나타낸다.

제 1 기판의 모듈 (실시예 1) 및 종래 모듈 (비교예) 의 출력특성이 서로 비교되었다. 사용된 종래 모듈에서, 레이저 다이오드 바는 하드솔더로 구리텅스텐의 서브마운트 기판상에 설치되었고, 소프트솔더로 히트싱크상에 설치되었고, 상부전극은 통상의 본딩 와이어를 사용함으로써 형성되었다.

도 17은 전류가 모듈들에서 흐르게 한 상태에서 관찰된 2개의 모듈의 출력에서의 변화를 비교하는 결과를 도시한다. 도 17에서, 가로축은 전류 (A) 를 나타내고 세로축은 출력 (W) 을 나타낸다. 코일전극을 사용하는 모듈은 대략 10% 정도의 출력향상을 나타내었다. 이것은 레이저 다이오드 바가 코일전극으로 위로부터 가압되고, 소프트솔더층의 열저항이 본딩 와이어가 사용되는 경우보다 더 작아지기 때문이다.

도 18은 대략적으로 60 A 의 전류가 모듈에서 흐르는 상태에서 2개의 모듈의 출력이 1초 간격으로 반복적으로 온-오프 될 때 10,000 시간 동안 출력 변동을 측정한 결과를 나타낸다. 도 18에서, 가로축은 시간 (시간) 을 세로축은 출력 (W) 을 나타낸다. 본 발명의 예에 따른 모듈은 10,000 시간 경과후 출력이 10%로 저하되는 것을 나타내는 반면에, 종래 모듈은 1,000 시간 경과후 점진적인 출력저하를 나타내고 수개의 와이어가 단절되어, 결과적으로 갑작스러운 출력 저하로 평가가 중단되었다.

고장난 종래의 모듈의 관찰은 도 16에서 도시된 것과 같이, 레이저 다이오드 바 (1801) 의 끝부분이 휘어져, 본딩 와이어에서 단선이 발생하고 하드솔더층 (1803) 과의 하지 설치면은 벗겨졌다. 박리된 부분 (1802) 아래의 히트싱크 (1804) 와 서브마운트 기판 (1805) 사이의 접촉면에서 소프트솔더층 (1806) 이 관찰되었다.

관찰결과는 도 19에서 단면도로 도시된다. 크랙 (1902), 보이드 (1903) 및 박리된 부분 (1904) 이 인듐 솔더층 (1901) 에서 생기는 것이 명백하다. 금-인듐 합금의 그레인 (1905) 이 설치 직후보다 성장했다. 대조적으로, 본 발명의 모듈의 인듐 솔더층은 10,000 시간 경과후에 크랙 및 보이드가 없었으며 금 인듐에서 작은 상태변화가 있었다.

실시예 2

실시예 1과 유사한 부재들이 사용되었고, 두께가 1 μm 인 니켈층이 오직 히트싱크의 상면에 적층되고, 레이저 다이오드 모듈의 수명 테스트는 실시예 1에서와 같이 인듐 층의 두께를 1 μm 에서 10 μm 로 변화시키는 동안에 수행되었다. 도 6에서 도시된 동일한 실험이 수행되어, 고장확률은 인듐 층의 두께가 30 μm 이상일 때, 0.1% 이하가 된다. 이것은 니켈이, 사용될 때, 인듐과의 느린 합금화를 나타내므로, 금의 사용과 비교할 때 얇은 인듐 솔더에 신뢰성을 부여하기 때문이다. 도 12에서 도시된 동일한 실험을 통하여, 64 A 의 전류를 모듈에 흐르게 하고 접합부분의 열저항이 금을 사용했을 때보다 클 때 50 W 의 출력을 얻는다. 그러나, 금막의 경우와 같이 10,000 시간동안 대략 10% 비율의 출력 감소가 있고, 이것은 명백하게 실용적인 문제를 일으키지는 않는다.

실시예 3

도 20은 본 발명의 실시예 3에 따른 어레이 레이저 다이오드 모듈을 나타낸 사시도이다. 어레이 다이오드 모듈은 실시예 1에서 준비된, 나란히 배열된 5개의 레이저 다이오드 모듈을 갖고 있다. 히트싱크 (2001) 상에 설치되는 레이저 다이오드 바 및 서브마운트 기판들에 의해 형성되는 샌드위치어셈블리 (2002), 및 사용중인 코일전극 (2003) 은 실시예 1 의 것들과 동일하고, 샌드위치어셈블리 (2002) 는 동일한 소프트솔더로 히트싱크 (2001) 상에 설치된다. 물을 5개의 히트싱크 (2001) 로 흐르게 하는 절연체로 구성된 홀더 (2004) 가 준비되었고, 개별적인 히트싱크들이 홀더 (2004) 의 소정의 위치에서 고정되었다. 그후, 개별적인 브릿지 프레서전극 (2005) 이 도 20에서 도시된 것과 같이 배치되었다. 사용중인 4개의 브릿지 프레서전극은 동일한 모양을 가지며, 좌단은 히트싱크를 전극단말 (2007) 에 접합시키는 브릿지 프레서전극 (2006) 인 반면에 우단은 히트싱크를 접촉하지 않는 방법으로 히트싱크의 뒷면에서 전극단자 (2007) 를 이을 수 있는 브릿지 프레서전극이다. 물은 홀더 (2004) 의 내부에 형성된 냉각제 입구 (inlet) 로부터 각 히트싱크로 공급된다. 전체적인 어레이 모듈은 전극의 노출을 방지하는 절연 및 코일 전극의 균일한 가압을 위한 프레서판 (2009) 으로 덮여 있으며, 전극에 형성된 나사홀을 멈춤나사 (2010) 가 통과하도록하는 홀더 (2004) 에 고정된다. 실시예 1에서와 같이 모듈당 총출력이 250 W 또는 50 W 의 어레이 모듈에 수행된 장기간 동작 실험의 결과는 실시예 3이 10,000 시간동안 10% 이내의 출력 변동을 가졌다는 것을 나타낸다.

도 21은 250 W 로 시작한 이후에 500 시간 경과후에 레이저 다이오드 모듈이 고장나도록 하나의 레이저 다이오드모듈을 고의적으로 가열하는 실험을 수행한 결과를 나타낸다. 하나의 레이저 다이오드는 활성층의 온도에서의 상승과 리크패스 (leak path) 및 중지된 발광의 형성을 보이지만, 전극은 단락되지 않았고 전류는 계속 흘렀다. 어레이의 다른 레이저 다이오드 모듈들에서 전류가 흐름에 따라, 발진이 계속되어 약 200 W 의 출력이 얻어졌다. 또 다른 레이저 다이오드 모듈이 실험 시작으로부터 2,000 시간 후에 고의적으로 고장나도록 만들어짐에 따라, 출력은 약 140 W 로 떨어졌다. 이것은 도 21에서 도시된 것과 같이 다른 3개의 모듈들이 4,000 시간까지 안정된 출력을 제공한 것을 확인했다. 따라서, 2개의 고장난 레이저 다이오드 모듈들은 각 모듈의 히트싱크상에 설치된 샌드위치어셈블리를 바꾼후에 다시 광을 출력하도록 만들어져서, 레이저출력이 240 W 로 복원되었다. 모듈이 히트싱크 및 샌드위치어셈블리 이외의 것에는 용접되어 있지 않았으므로, 10초의 교체시간으로 용이하게 교체될 수 있었다.

실시예 4

도 22는 본 발명의 실시예 4에 따른 레이저 장치를 나타낸 사시도이다. 레이저 장치는 도 3에서 준비된 250 W 출력의 5-모듈 어레이 레이저 다이오드 다이오드 모듈들 (2201) 의 2개의 세트를 사용한다. 어레이 레이저 다이오드 모듈로부터 생성된 광의 파장은, 히트싱크에서 흐르는 물의 온도로, 네오디뮴 흡수 파장인 808 nm 로 조절되었다. 직경이 5 mm 이고 길이가 10 cm 이며, 1% 네오디뮴으로 도핑된 Nd:YAG 레이저 로드 (2202) 는 레이저 로드 (2202) 의 양면에서 모듈 (2201) 로부터 출력 레이저 빔으로 여기되었다. 모듈 (2201) 은 전체 여기된 광이 레이저 로드 (2202) 에서 조사되도록 레이저 로드 (2202) 근처에 배치되었다. 808 nm 의 광은 Nd:YAG 레이저 로드 (2202) 의 Nd 에 의해 흡수되었고, 1064 nm 파장의 광은 출력미러 (2003) 와 리어미러 (2004) 사이에서 공진함으로써, 레이저 로드 (2202) 로부터 300 W 의 출력광 (2205) 을 얻었다. YAG 레이저 출력을 레이저 다이오드 모듈 (2201) 의 0.5초 간격으로 온-오프하면서 장기간 동작 테스트가 수행되었다. YAG 레이저 출력은 10,000 시간동안 계속되고 10,000 시간 후의 출력은 10% 이하의 출력저하 비율로 270 W 였다. 이 레벨의 출력저하가 레이저 다이오드에서 흐르는 전류의 값을 상승시킴으로써 회복될 수 있고, 장치의 사양에 어떤 문제도 일으키지 않는다. 동일한 동작 테스트가 상부전극으로 본딩 와이어 또는 판전극을 사용하는 250 W 의 종래의 5-모듈 어레이의 2개의 세트에 여기된 레이저 장치에 수행되었는데, 결과적으로 레이저 다이오드 모듈은 고장났고 약 500 시간 후에 정지됐다. 그 이유는 5-모듈 어레이의 하나의 레이저 다이오드 바에서 발생된 단선이었다.

실시예 5

도 23은 본 발명의 실시예 5에 따른 레이저 장치 (2301) 를 나타낸 다이어그램이다. 레이저 장치 (2301) 는 실시예 4에서 준비된 것과 동일하고 어레이 레이저 다이오드 모듈 (2201), Nd:YAG 레이저 로드 (2202), 출력미러 (2203) 및 리어미러 (2204) 를 포함한다. 레이저 장치 (2301) 에서 생성된 레이저 빔 (2302) 는 끝부분이 대물렌즈 (2304) 에 접합된 광화이버 (2303) 에 결합되었다. 1 mm 두께의 서로 맞닿은 철판 (2305) 한쌍으로, 대물렌즈 (2304) 는 레이저 빔 (2302) 을 맞닿은 면으로 정의된 용접선 (2306) 으로 집중하고, 레이저 빔 (2302) 으로 용접선 (2306) 을 따른 스캐닝은 2개의 철판 (2305) 을 용접하기 위해 수행되었다. 복수의 위치를 효율적으로 용접하기 위해, 레이저 빔 출력을 온-오프하는 것이 중요하다. 실시예 5에 따른 레이저 다이오드 모듈은, 반복적으로 온-오프되더라도, 장기간에 걸쳐 안정적으로 동작될 수 있고, 만약 하나의 레이저 다이오드 바에 문제가 생기더라도, 레이저 다이오드 모듈은 단선없이 동작한다. 따라서, 본 예의 모듈이 설치된 레이저 가공장치는 장기적으로 안정적인 용접을 수행할 수 있다. 온-오프가 반복될 때 종래의 고출력 레이저 다이오드 모듈이 장기간동안 안정적으로 동작할 수 없었기 때문에, 종래의 모듈을 사용하는 레이저 장치가 설치된 레이저 가공장치는 물리적인 셔터를 사용함으로써 레이저장치에서 생성된 광을 온-오프하였다. 그러나, 레이저 빔의 출력이 높아짐에 따라, 셔터의 내열성, 반사된 광의 영향 및 셔터 스피드의 견지에서 문제가 발생되었고, 문제에 대한 측정은 큰 비용을 요구했다. 따라서, 셔터로 레이저 빔을 온-오프하는 종래의 방법은 적응적인 한계에 접근하고 있었다.

레이저 다이오드 모듈의 첫번째 효과는 고출력 레이저 다이오드 바를 냉각하기 위한 히트싱크에 대한 접합면 영역에서 시간에 따른 열저항의 변화가 억제될 수 있다는데 있다. 본 발명이 레이저 다이오드의 온-오프 상태가 빈번하게 변하고 레이저 다이오드의 온도가 심하게 상승 하강하는 분야에 적용될 때, 특히, 접합면에서의 열저항의 변화는 장기간에 걸쳐 억제될 수 있다. 이것은 안정적인 레이저 발광을 보장한다. 또한, 전기로부터 광으로의 높은 변환효율은 장기적으로 유지될 수 있다. 이것은 레이저 다이오드의 서비스 수명을 늘릴 수 있다.

두번째 효과는 코일 전극이 레이저 다이오드, 서브마운트 기판 및 프레서전극에 융착되어 있지 않으므로, 레이저 다이오드 모듈은 저비용으로 용이하게 조립될 수 있다.

세번째 효과는 나란히 배치된 모듈들을 갖고 있는 어레이 모듈과 관계되어 있으며, 코일 프레스 전극은 인접한 모듈에 전기적인 접속으로 기능하고, 코일전극 및 인접하는 히트싱크에만 연결되어 있으므로, 모듈을 조립하는데 절연재료가 불필요하고 부품의 숫자를 크게 줄임으로써, 저비용 고성능 어레이 레이저 다이오드 모듈을 실현하는 것에 있다.

네번째 효과는 모듈들이 직렬로 상호접속되면, 어레이에서 한 모듈의 레이저 다이오드가 고장나더라도, 전기회로는 개방되지 않으므로, 이 모듈을 포함하는 레이저 장치 및 레이저 가공장치는 개방-회로 고장이 없게 된다. 이것은 장기간에 걸친 신뢰성 및 저비용에 있어서 탁월한 레이저 장치 및 레이저 가공장치를 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 레이저 다이오드 바를 나타낸 사시도.

도 2는 본딩 와이어를 상부전극으로 이용하는, 종래의 수직 적층형 레이저 다이오드 모듈을 나타낸 사시도.

도 3은 2개의 단자판에 제 1 솔더로 접합된 레이저 다이오드를 제 2 솔더로 냉각부재에 접합하는 종래의 레이저 다이오드 모듈을 나타낸 정면도.

도 4는 소성변형이 가능한 흡열체와 뚜껑 (lid) 에 의해 샌드위치된 종래의 레이저 다이오드 모듈을 나타낸 평면도.

도 5는 솔더를 사용하지 않고 레이저 다이오드와 열소산 시트 (heat canceling sheet) 를 교대로 적층시킨 스택을, 고정부에 고정된 스프링으로 베이스에 대하여 가압하는 종래의 레이저 다이오드 모듈을 나타낸 평면도.

도 6은 제 2 솔더로 인듐을 사용하는 모듈에 동작 테스트를 수행했을때 인듐층의 두께와 고장확률과의 관계를 나타낸 그래프.

도 7은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 레이저 다이오드 모듈을 나타낸 정면도.

도 8은 레이저 다이오드 모듈에서 사용되는 코일전극을 나타낸 사시도.

도 9는 레이저 다이오드 모듈에서 사용되는 코일전극의 변화범위를 나타낸 예시적인 다이어그램.

도 10은 레이저 다이오드 모듈에서 제 1 솔더를 매개로 2개의 서브마운트 기판에 접합되는 레이저 다이오드를 갖는 샌드위치어셈블리를 형성하는 방법을 나타낸 다이어그램.

도 11은 제 2 솔더층을 사용하여 도 10에 나타낸 샌드위치어셈블리를 히트싱크에 설치하는 방법을 나타낸 다이어그램.

도 12는 제 2 솔더층에 의해 히트싱크에 설치되기전의 서브마운트 기판의 상태 및 서브마운트 기판의 설치상태를 나타낸 단면도.

도 13은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 레이저 다이오드 모듈을 나타낸 사시도.

도 14는 레이저 다이오드 모듈에서 사용되는 브릿지 프레서전극을 추출된 형태로 나타낸 사시도.

도 15는 도 13의 A-A'를 나타낸 단면도.

도 16은 광을 출력하는 모듈측에서 볼 때, 평가후 본딩 와이어를 사용하는 종래의 방법으로 상부전극을 형성한 레이저 다이오드의 상태를 나타낸 다이어그램.

도 17은 본 발명의 레이저 다이오드 모듈 및 본딩 와이어를 사용하는 종래의 레이저 다이어 모듈에 전류가 흐를때 전류와 광출력 사이의 관계를 나타낸 그래프.

도 18은 본 발명의 레이저 다이오드 모듈, 및 본딩 와이어를 사용하는 종래의 레이저 다이오드 모듈의 출력에 있어서, 시간에 따른 변화를 나타낸 그래프.

도 19는 도 16에 나타낸 종래의 모듈의 박리된 부분 하부의 소프트솔더 영역의 단면도.

도 20은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른, 5개의 레이저 다이오드 모듈을 갖는 어레이 레이저 다이오드 모듈을 나타낸 사시도.

도 21은 어레이의 레이저 다이오드가 의도적으로 고장나도록 하였을때 시간에 따른 본 발명의 어레이 레이저 다이오드 모듈 출력의 변화를 나타낸 그래프.

도 22는 본 발명의 레이저 다이오드 모듈을 여기원 (pumping source) 으로서 이용한 레이저 장치의 예시적인 다이어그램.

도 23은 여기원으로서 본 발명의 레이저 다이오드 모듈을 사용한 레이저 장치로부터 출력되는 레이저 빔을 이용하는 용접장치의 예시적인 다이어그램.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

601 : 레이저 다이오드 602 : 서브마운트 기판

603 : 하드솔더 604 : 샌드위치어셈블리

605 : 히트싱크 606 : 소프트솔더

607 : 코일전극 608 : 프레서전극

609 : 절연성스페이서 610 : 멈춤나사

901 : 브릿지 프레서전극 902 : 히트싱크

903 : 코일전극 904 : 서브마운트기판

905 : 샌드위치어셈블리 906 : 샌드위치어셈블리

907 : 멈춤나사 1801 : 레이저 다이오드 바

1802 : 박리된 부분 1803 : 하드솔더층

1804 : 히트싱크 1805 : 서브마운트 기판

1806 : 소프트솔더층 1901 : 인듐 솔더층

1902 : 크랙 1903 : 보이드

2001 : 히트싱크 2002 : 샌드위치어셈블리

2003 : 코일전극 2004 : 홀더

2005 : 프레서전극 2006 : 프레서전극

2007 : 전극단말 2009 : 프레서판

2201 : 다이오드 모듈 2202 : 레이저 로드

2203 : 출력미러 2204 : 리어미러

2205 : 출력광 2301 : 레이저 장치

2302 : 레이저 빔 2303 : 광화이버

2304 : 대물렌즈 2305 : 철판

Claims (15)

1. 레이저 다이오드;

   상기 레이저 다이오드의 양 전극면에 각각의 제 1 솔더층을 매개로 접합되는 제 1 기판 및 제 2 기판;

   상기 제 1 기판에 제 2 솔더층을 매개로 접합되는 히트싱크;

   상기 히트싱크에 대하여 소정의 간격으로 배치되는 프레서전극; 및

   상기 제 2 기판과 상기 프레서전극 사이에 상기 제 1 기판에 평행하게 축방향을 갖도록 제공되는 코일전극을 구비하되,

   상기 프레서전극이 상기 코일전극을 상기 제 2 기판에 가압하는, 레이저 다이오드 모듈.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 프레서전극은 절연성스페이서를 매개로 상기 히트싱크에 소정의 간격으로 고정되고,

   상기 코일전극이 탄성적으로 변형됨에 따라, 상기 코일전극이 상기 제 2 기판에 가압되는, 레이저 다이오드 모듈.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 코일전극은 코일와이어의 외면에 금막이 피복된, 레이저 다이오드 모듈.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판은 상기 레이저 다이오드의 상기 전체 전극면에 접합되는, 레이저 다이오드 모듈.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 솔더층용으로는 Au, Ag, Al, Si 및 Ge 로 된 그룹중에서 선택된 원소를 주성분으로 하는 하드솔더가 사용되며, 상기 제 2 솔더층으로는 Pb, Sn, In, Sb 및 Bi 로 된 그룹중에서 선택된 원소를 주성분으로 하는 소프트솔더가 사용되며, 상기 하드솔더는 상기 소프트솔더보다 높은 융점을 가지는, 레이저 다이오드 모듈.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 제 1 기판 및 제 2 기판에 대한 상기 레이저 다이오드의 접합면상에 금막이 피복되며, 상기 레이저 다이오드에 대한 상기 제 1 기판 및 제 2 기판의 접합면상에 금막이 피복되고, AuSn 합금으로 이루어지는 하드솔더가 상기 제 1 솔더층으로 사용되는, 레이저 다이오드 모듈.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 히트싱크와 상기 제 1 기판의 대향면에 제 1 금속막이 각각 형성되며, 상기 제 1 금속막과 상기 제 2 솔더층 사이의 접촉면에 합금상이 형성되는, 레이저 다이오드 모듈.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제 1 기판과 상기 히트싱크 사이의 열팽창계수 차이에 의해 생기는 변형을 완화하기 위해, 상기 제 2 솔더층의 최상면에의 상기 합금상 형성 후 상기 제 2 솔더층이 충분한 두께를 갖도록, 상기 합금상과 합금화되지 않고 잔존하는 상기 제 2 솔더층과의 비율이 제어되는, 레이저 다이오드 모듈.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 히트싱크와 상기 제 1 기판의 대향면에 금막이 각각 형성되고, 상기 제 2 솔더층용으로서 인듐 (In) 으로 이루어진 소프트솔더가 사용되는, 레이저 다이오드 모듈.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 히트싱크와 상기 제 1 기판의 대향면에 각각 형성되는 금막과 상기 제 2 솔더층의 인듐층 사이에서 금이 상기 인듐층으로 확산됨에 따라 합금상이 형성되는, 레이저 다이오드 모듈.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 제 1 기판과 상기 히트싱크의 열팽창계수의 차이에 의해 생기는 변형을 완화하기 위해, 인듐층의 최상면에의 합금상 형성 후 상기 인듐층이 충분한 두께를 갖도록, 상기 합금상과 합금화되지 않고 잔존하는 상기 인듐층과의 비율이 제어되는, 레이저 다이오드 모듈.
12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

    상기 레이저 다이오드는 GaAs 기판상에 형성되며, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판은 구리텅스텐 합금으로 형성되는, 레이저 다이오드 모듈.
13. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 레이저 다이오드 모듈이 2개 이상 나란히 배치되어 있는 어레이 레이저 다이오드 모듈로서,

    상기 코일전극 위에 놓이지 않는 상기 프레서전극의 부분이 인접하는 상기 레이저 다이오드의 히트싱크에 접합되는, 어레이 레이저 다이오드 모듈.
14. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 레이저 다이오드 모듈을 고체 레이저 결정용 여기원 (pumping source) 으로 사용하는, 레이저 장치.
15. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 레이저 다이오드 모듈을 내장한 레이저 장치;

    상기 레이저 장치로부터 생성된 광을 유도하는 광화이버;

    상기 광화이버로부터의 출력된 광을 집광하는 렌즈; 및

    소정의 위치에 집광된 레이저 빔을 조사하는 조사 (irradiation) 시스템을 구비하는, 레이저 가공장치.